RU2769129C1 - Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria - Google Patents

Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria Download PDF

Info

Publication number
RU2769129C1
RU2769129C1 RU2021118505A RU2021118505A RU2769129C1 RU 2769129 C1 RU2769129 C1 RU 2769129C1 RU 2021118505 A RU2021118505 A RU 2021118505A RU 2021118505 A RU2021118505 A RU 2021118505A RU 2769129 C1 RU2769129 C1 RU 2769129C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
fermenter
liquid
ejector
line
Prior art date
Application number
RU2021118505A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Михайлович Кочетков
Маргарита Витальевна Лалова
Леонид Евгеньевич Левитин
Вадим Михайлович Молчан
Павел Андреевич Нюньков
Владимир Владимирович Цымбал
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ"
Priority to RU2021118505A priority Critical patent/RU2769129C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2769129C1 publication Critical patent/RU2769129C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/04Apparatus for enzymology or microbiology with gas introduction means
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/107Apparatus for enzymology or microbiology with means for collecting fermentation gases, e.g. methane
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/36Apparatus for enzymology or microbiology including condition or time responsive control, e.g. automatically controlled fermentors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnology.
SUBSTANCE: invention relates to the field of biotechnology. The fermentation plant for M.capsulatus bacteria includes a fermenter for aerobic cultivation processes, equipped with gas and liquid process flow supply pipes, outlet pipes for the obtained biomass, waste gas and gas-liquid mixture, elements for organizing flows inside the fermenter, additionally contains a storage tank connected to the fermenter by an equalizing gas line in its upper part, a gas separator, an ejector and a gas-liquid flow velocity equalization line, in addition, the elements for organizing flows inside the fermenter are located in the lower part of the fermenter and are made in the form of two sparge rings connected to the natural gas and oxygen supply lines and a pressure inlet pipe of the gas-liquid mixture connected to the ejector.
EFFECT: invention makes it possible to increase the reliability and efficiency of the device by eliminating accidents during fermentation and increasing the use of natural gas entering the fermenter in the process of biomass synthesis.
1 cl, 1 dwg, 1 ex.

Description

Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к аппаратам для культивирования биомассы метанокисляющих микроорганизов Methylococcus capsulatus.The invention relates to the field of biotechnology, in particular to devices for cultivating the biomass of methane-oxidizing microorganisms Methylococcus capsulatus.

Актуальность разработки нового эффективного биореактора применительно к газожидкостной ферментации на природном газе аэробных метанокисляющих микроорганизмов связана, с одной стороны, с повышенным экономическим интересом к использованию значительных запасов природного газа, а с другой стороны, с малоэффективным аппаратурным оформлением основной стадии производства белка -процессом ферментации.The relevance of developing a new efficient bioreactor in relation to gas-liquid fermentation on natural gas of aerobic methane-oxidizing microorganisms is associated, on the one hand, with an increased economic interest in the use of significant reserves of natural gas, and on the other hand, with inefficient instrumentation of the main stage of protein production - the fermentation process.

Использование природного газа позволит создавать биотехнологические установки, обеспечивающие полноценным белковым кормом агропромышленные комплексы и рыбоводство, а также получение широкой гаммы биопродуктов, его дальнейшей переработки.The use of natural gas will make it possible to create biotechnological installations that provide agro-industrial complexes and fish farming with complete protein feed, as well as the production of a wide range of bioproducts and their further processing.

Несмотря на значительное количество отечественных и зарубежных аппаратурных решений специфика процесса с использованием двух труднорастворимых газов, кислорода и метана, не позволила к настоящему времени достаточно эффективно и энергоэкономко решить проблему ферментации и получения белка из природного газа в промышленных биореакторах. (Винаров А.Ю. и др. «Ферментационные аппараты для процессов микробиологического синтеза» М., ДеЛи Принт, 2005, 275 с.). Despite a significant number of domestic and foreign hardware solutions, the specificity of the process using two sparingly soluble gases, oxygen and methane, has not made it possible to solve the problem of fermentation and protein production from natural gas in industrial bioreactors sufficiently efficiently and energy-efficiently. (Vinarov A.Yu. et al. “Fermentation apparatus for microbiological synthesis processes”, M., DeLi Print, 2005, 275 p.).

Известно большое разнообразие конструкций биореакторов для аэробного культивирования с использованием традиционных мешалок, эжекторов, циркуляционных насосов и барботеров, которые могут быть применены для выращивания биомассы метанутилизирующих микроорганизмов, однако в большинстве случаев их конструктивные характеристики и энергозатратные показатели делают этот процесс малоэффективным, что определяет задачу разработки нового аппарата для аэробного культивирования метанутилизирующих микроорганизмов актуальной и практически важной.There is a wide variety of designs of bioreactors for aerobic cultivation using traditional mixers, ejectors, circulation pumps and bubblers that can be used to grow the biomass of metautilizing microorganisms, however, in most cases, their design characteristics and energy-consuming indicators make this process inefficient, which determines the task of developing a new apparatus for aerobic cultivation of metautilizing microorganisms is relevant and practically important.

В результате проведенного патентно-информационного поиска были отобраны следующие патенты.As a result of the patent information search, the following patents were selected.

Известен (GB1353008A, кл. C12M1/04; C12M1/08, опубл. 1974-05-15) аппарат для получения биомассы микроорганизмов, в котором применен принцип аэрации и перемешивания ферментационной среды. Известный аппарат выполнен из двух вертикально расположенных емкостей, между которыми организована циркуляция всей ферментационной среды за счет разности плотностей аэрированной и дегазированной жидкости. Аэрацию осуществляют с использованием барботера, расположенного в нижней части одной из емкостей, причем отработанный газ, отделенный от жидкости в результате ее дегазации, выходит через верхний патрубок на другой вертикальной емкости, по которой вниз циркулирует дегазированная жидкость, проходя теплообменное устройство. Аппарат предназначен для работы с большими объемами ферментационной среды.Known (GB1353008A, class C12M1/04; C12M1/08, publ. 1974-05-15) apparatus for obtaining biomass of microorganisms, which uses the principle of aeration and mixing of the fermentation medium. The known apparatus is made of two vertically arranged containers, between which the circulation of the entire fermentation medium is organized due to the difference in the densities of the aerated and degassed liquid. Aeration is carried out using a bubbler located in the lower part of one of the tanks, and the exhaust gas separated from the liquid as a result of its degassing exits through the upper pipe on another vertical tank, through which the degassed liquid circulates down, passing the heat exchange device. The device is designed to work with large volumes of fermentation medium.

К недостаткам данного аппарата следует отнести недостаточную степень диспергирования газовой фазы и турбулизацию ферментационной среды, что не позволяет эффективно использовать малорастворимые газообразные субстраты и дисперсные среды для процессов ферментации, а также сравнительно низкую поверхность контакта фаз газ-жидкость, обусловленную коалесценцией поднимающихся пузырей, в связи с чем, в данном аппарате транспорт газообразных источников роста клеток не обеспечивает их эффективного развития и наращивание биомассы клеток. Кроме того, наличие проблемы труднорастворимости газов, приводят к их избыточному перерасходу и возможному нарушению процесса ферментации, из-за того, полученная в результате реакции ферментирования газожидкостная смесь может вырываться из аппарата, приводя к его остановке или к аварийным ситуациям. The disadvantages of this apparatus include the insufficient degree of dispersion of the gas phase and the turbulence of the fermentation medium, which does not allow the effective use of poorly soluble gaseous substrates and dispersed media for fermentation processes, as well as the relatively low contact surface of the gas-liquid phases, due to the coalescence of rising bubbles, due to than, in this apparatus, the transport of gaseous sources of cell growth does not ensure their effective development and increase in cell biomass. In addition, the presence of the problem of difficult solubility of gases leads to their excessive consumption and possible disruption of the fermentation process, due to the fact that the gas-liquid mixture obtained as a result of the fermentation reaction can escape from the apparatus, leading to its shutdown or emergency situations.

Известен аппарат для выращивания микроорганизмов (RU 2352626, кл. C12M 1/02, C12M 1/04, опубл. 20.04.2009). Аппарат содержит емкость, заполняемую культуральной жидкостью до определенного уровня и снабженную патрубками для подвода жидкой минеральной питательной среды, воздуха и отвода накопленной биомассы, а также, как минимум, одну дополнительную емкость, являющуюся абсорбером газообразного субстрата. Эти емкости имеют обечайки с отбортовкой, установленные по оси емкости, служащие для разделения наполняемой жидкостью части емкости на подъемный и опускной каналы. Барботеры для подвода воздуха расположены в подъемных каналах емкостей. Емкости соединены в нижней части жидкостепроводом таким образом, что опускной канал основной емкости соединен с подъемным каналом дополнительной емкости, а опускной канал дополнительной емкости - с подъемным каналом основной емкости, а в жидкостепроводе между емкостями установлен побудитель циркуляции жидкости. Отбортовка в верхней части обечайки дополнительной емкости может быть выполнена в виде воронки, направленной вовнутрь опускного канала, симметричной оси опускного канала. По центру отбортовки может быть установлена дыхательная труба, соединяющая наджидкостную часть емкости с внутренней частью опускного канала, а ниже этой воронки и дыхательной трубы, соосно с ними, установлена другая воронка. Изобретение позволяет получать белковую массу аэробных микроорганизмов (гаприна) при использовании в качестве питания для микроорганизмов газообразного субстрата (природный газ).Known apparatus for growing microorganisms (RU 2352626, class C12M 1/02, C12M 1/04, publ. 20.04.2009). The device contains a container filled with culture liquid to a certain level and equipped with nozzles for supplying liquid mineral nutrient medium, air and removing accumulated biomass, as well as at least one additional container, which is an absorber of a gaseous substrate. These containers have flared shells installed along the axis of the container, which serve to separate the liquid-filled part of the container into lifting and lowering channels. Bubblers for air supply are located in the lifting channels of the tanks. The tanks are connected in the lower part by a liquid pipeline in such a way that the downstream channel of the main tank is connected to the lifting channel of the additional tank, and the downstream channel of the additional tank is connected to the upstream channel of the main tank, and a liquid circulation booster is installed in the liquid line between the tanks. The flanging in the upper part of the shell of the additional container can be made in the form of a funnel directed inside the downcomer, symmetrical to the axis of the downcomer. A breathing pipe can be installed along the center of the flanging, connecting the supra-liquid part of the container with the inside of the downcomer, and another funnel is installed below this funnel and the breathing pipe, coaxially with them. EFFECT: invention makes it possible to obtain a protein mass of aerobic microorganisms (gaprin) when using a gaseous substrate (natural gas) as a food for microorganisms.

Основными недостатками данного аппарата являются высокие затраты энергии на циркуляцию большого количества жидкости между емкостями; низкая степень диспергирования труднорастворимых газов воздуха (кислорода), метана в водной среде (при размере пузырьков порядка 10 мм), достигаемая в эжекторах гравитационного типа; сложность конструкции ферментера; невысокая скорость массопередачи труднорастворимых газов и связанная с этим низкая производительность по биомассе не позволяет достаточно эффективно использовать этот аппарат в промышленности для получения биомассы метанассимилирующих бактерий. Также к недостаткам следует отнести и сложность в регулировки выхода газа из аппарата из-за образования большого количества газожидкостной смеси, создающей избыточное давление внутри аппарата, приводящее к «захлебыванию» ферментера, требующее его экстренного отключения.The main disadvantages of this apparatus are the high energy costs for the circulation of a large amount of liquid between the tanks; low degree of dispersion of sparingly soluble gases of air (oxygen), methane in the aquatic environment (with a bubble size of about 10 mm), achieved in gravity-type ejectors; the complexity of the design of the fermenter; the low rate of mass transfer of sparingly soluble gases and the associated low productivity in terms of biomass do not allow efficient use of this apparatus in industry for obtaining biomass of methane-assimilating bacteria. Also, the disadvantages include the difficulty in adjusting the gas outlet from the apparatus due to the formation of a large amount of gas-liquid mixture, which creates excess pressure inside the apparatus, leading to the “flooding” of the fermenter, requiring its emergency shutdown.

Известна ферментационная установка для метанокисляющих бактерий (RU 2580646, кл. C12M 1/02, C12M 1/04, C12M 1/36, C12Q 3/00, опубл. 10.04.2016), выбранная в качестве прототипа. Ферментационная установка для метанассимилирующих микроорганизмов выполнена с возможностью работы под избыточным давлением 0,1-1,0 МПа и содержит колонный ферментер для проведения аэробных процессов культивирования и соединенные с ним трубопроводами газовых и жидкостных технологических потоков два реактора. Ферментер содержит корпус, в верхней части которого установлены патрубок выхода отработанного газа и патрубок подачи питательных солей и технологической воды, компонентов питания и засевной биосуспензии. В нижней части установлены патрубок ввода газо-жидкостного потока в ферментер из реакторов и патрубок вывода биосуспензии из ферментера в реакторы. Каждый реактор содержит патрубок отбора газо-жидкостного потока из ферментера, установленный ниже уровня культуральной жидкости в реакторе, дисковую мешалку с приводом, установленную на уровне культуральной жидкости в реакторе, для организации потоков внутри ферментера, патрубок подачи биосуспензии из ферментера в реактор. Первый реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи метаносодержащего газа. Второй реактор содержит подключенный в верхней части патрубок подачи кислородсодержащего газа. Патрубок отвода из колонного ферментера отработанного газа выполнен с возможностью подключения к пеноотбойному устройству. Патрубок установлен с возможности подключения к магистрали передачи отработанного газа на сжигание или на повторную подачу газа в реакторы.Known fermentation unit for methane-oxidizing bacteria (RU 2580646, class C12M 1/02, C12M 1/04, C12M 1/36, C12Q 3/00, publ. 10.04.2016), selected as a prototype. The fermentation plant for methane-assimilating microorganisms is designed to operate at an overpressure of 0.1-1.0 MPa and contains a column fermenter for carrying out aerobic cultivation processes and two reactors connected to it by pipelines of gas and liquid process streams. The fermenter contains a housing, in the upper part of which there is a branch pipe for the outlet of the exhaust gas and a branch pipe for supplying nutrient salts and process water, nutrition components and seed biosuspension. In the lower part, there is a branch pipe for inlet of the gas-liquid flow into the fermenter from the reactors and a pipe for the biosuspension output from the fermenter to the reactors. Each reactor contains a branch pipe for extracting a gas-liquid flow from the fermenter, installed below the level of the culture liquid in the reactor, a disk mixer with a drive, installed at the level of the culture liquid in the reactor, to organize flows inside the fermenter, a branch pipe for supplying biosuspension from the fermenter to the reactor. The first reactor contains a methane-containing gas supply pipe connected in the upper part. The second reactor contains an oxygen-containing gas supply pipe connected in the upper part. The outlet branch pipe from the exhaust gas column fermenter is made with the possibility of connection to a defoaming device. The branch pipe is installed with the possibility of connection to the line for transferring the exhaust gas for combustion or for re-supply of gas to the reactors.

К недостаткам известной установки относится как конструктивная сложность, так и сложность при эксплуатации. Кроме того, в данном ферментере недостаточно полное разделение газовой от жидкой фаз в процессе ферментации мелкодисперсного состояния газовой фазы в объеме ферментера. Регулировка газовых и жидкостных потоков осуществляется неэффективно, что приводит к переизбытку расходования газов, а также к несанкционированным остановкам аппарата и аварийным ситуациям. Введение ферментера в рабочий режим, является длительным и трудоемким процессом. The disadvantages of the known installation include both structural complexity and complexity in operation. In addition, in this fermenter, the complete separation of the gas from the liquid phases during the fermentation of the finely dispersed state of the gas phase in the volume of the fermenter is insufficient. Regulation of gas and liquid flows is carried out inefficiently, which leads to an excess of gas consumption, as well as to unauthorized shutdowns of the apparatus and emergency situations. Putting the fermenter into operation is a long and laborious process.

Проблемой изобретения является разработка ферментационной установки для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus с возможностью стабилизации пусковых режимов ферментационной установки при сокращении последовательности операций, за счет максимально полного отделение газовой фазы от жидкой, исключения избыточного передавливания из ферментера газожидкостной смеси и его "захлебывания жидкостью". The problem of the invention is the development of a fermentation plant for the cultivation of methane-oxidizing bacteria Methylococcus capsulatus with the possibility of stabilizing the start-up modes of the fermentation plant while reducing the sequence of operations, due to the most complete separation of the gas phase from the liquid, eliminating excessive pressure from the fermenter of the gas-liquid mixture and its "flooding with liquid".

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства за счет исключение аварийных ситуаций в процессе ферментации и увеличения степени использования природного газа, поступающего в ферментер, в процессе синтеза биомассы. The technical result of the invention is to increase the reliability and efficiency of the device by eliminating emergency situations in the fermentation process and increasing the degree of use of natural gas entering the fermenter in the process of biomass synthesis.

Поставленная проблема и технический результат достигаются тем, что ферментационная установка для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus включает ферментер для проведения аэробных процессов культивирования, снабженный патрубками подачи газовых и жидкостных технологических потоков, патрубками выхода полученной биомассы, отходящего газа и газожидкостной смеси, элементы для организации потоков внутри ферментера. Согласно изобретению установка дополнительно содержит накопительную емкость для вывода полученной биомассы из ферментера, газоотделитель, эжектор и магистраль выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, включающую линии газового потока с регулирующими вентилями. Одна линия газового потока связывает верхнюю часть ферментера с эжектором, а другая – верхнюю часть ферментера с патрубком вывода отработанного газа. Ферментер и газоотделитель соединены линией вывода газожидкостной смеси из ферментера. Эжектор и газоотделитель сверху соединены между собой по линией газового потока с регулирующим вентилем, а снизу - по линии жидкостного потока через теплообменник и центробежный насос. Элементы для организации потоков внутри ферментера расположены в нижней части ферментера и выполнены в виде двух барботажных колец, связанных с магистралями подачи природного газа и кислорода и патрубка ввода под давлением газожидкостной смеси, связанного с эжектором. The problem posed and the technical result are achieved by the fact that the fermentation plant for methane-oxidizing bacteria Methylococcus capsulatus includes a fermenter for carrying out aerobic cultivation processes, equipped with nozzles for supplying gas and liquid process streams, outlet pipes for the resulting biomass, exhaust gas and gas-liquid mixture, elements for organizing flows inside the fermenter . According to the invention , the installation further comprises a storage tank for removing the resulting biomass from the fermenter, a gas separator, an ejector and a gas-liquid flow rate equalization line, including gas flow lines with control valves. One gas flow line connects the top of the fermenter to the ejector and the other connects the top of the fermenter to the exhaust gas outlet. The fermenter and the gas separator are connected by a line for the output of the gas-liquid mixture from the fermenter. The ejector and the gas separator are connected to each other from above along the gas flow line with a control valve, and from below - along the liquid flow line through a heat exchanger and a centrifugal pump. Elements for organizing flows inside the fermenter are located in the lower part of the fermenter and are made in the form of two bubbling rings connected to natural gas and oxygen supply lines and a gas-liquid mixture pressurized inlet pipe connected to the ejector.

Ведение в установку магистрали выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, включающей линию газового потока с регулирующим вентилем, связывающую ферментер с патрубком вывода отработанного газа, позволяет обеспечивать стабильность работы ферментера, положительно влияющей на эффективность процесса ферментирования, а также увеличение степени утилизации природного газа, исключить сбой в работе установки. Introduction to the installation of a line for equalizing the speeds of the gas-liquid flow, including a gas flow line with a control valve connecting the fermenter with the exhaust gas outlet pipe, makes it possible to ensure the stability of the fermenter, which has a positive effect on the efficiency of the fermentation process, as well as an increase in the degree of utilization of natural gas, to eliminate failure in installation operation.

Выполнение элементов для организации потоков внутри ферментера в виде двух барботажных колец, связанных с магистралями подачи природного газа и кислорода и патрубка ввода под давлением газожидкостной смеси, связанного с эжектором, обеспечивают вращение потока внутри ферментера, создавая оптимальные условия проведения процесса ферментации, повышая тем самым эффективность синтеза биомассы. Execution of elements for organizing flows inside the fermenter in the form of two bubbling rings connected to natural gas and oxygen supply lines and a gas-liquid mixture pressurized inlet connected to the ejector ensure the rotation of the flow inside the fermenter, creating optimal conditions for the fermentation process, thereby increasing efficiency biomass synthesis.

Устройство иллюстрируется чертежом, на котором представлена установка для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus.The device is illustrated in the drawing, which shows the installation for methane-oxidizing bacteria Methylococcus capsulatus.

Ферментационная установка включает ферментер 2 для выращивания бактерий, газоотделитель 2, накопительную емкость 3. В нижней части ферментера 1 расположены барботажные кольца 4 и 5, связанные с магистралями 6 и 7 подвода природного газа и кислорода, соответственно Газоотделитель 2 связан линией 8 через теплообменник 9 и центробежный насос 10 с эжектором 11 типа жидкость-газ. Магистраль выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, включающую линию 12 газового потока с регулирующим вентилем 13, связывающую верхнюю часть ферментера 1 с эжектором 11 и линию 14 с регулирующим вентилем 15, связывающую верхнюю часть ферментера 1 с патрубком 16 для вывода отработанного газа, снабженного регулятором 17 давления. Ферментер 1 патрубком 18 - вывода полученной биомассы соединен с накопительной емкостью 3, снабженной патрубком 19 вывод полученной биомассы. Теплообменник 9 включает вход 20 охлаждающей воды и выход 21 воды из теплообменника 9. К корпусу ферментера 1 подсоединены патрубок 22 для подачи технологической воды, патрубок 23 для подачи водного раствора аммиака в ферментер, патрубок 24 для подачи раствора питательных солей и патрубок 25 выхода газожидкостной смеси. Газоотделитель 2 сверху соединен линией 26 выхода части отработанного газа (абгаза), снабженной регулирующим вентилем 27 - с эжектором 11. Из эжектора 11 через патрубок 28 газожидкостная смесь под давлением поступает в нижнюю часть ферментера 1. The fermentation plant includes a fermenter 2 for growing bacteria, a gas separator 2, and a storage tank 3. In the lower part of the fermenter 1 there are bubbling rings 4 and 5 connected to lines 6 and 7 for supplying natural gas and oxygen, respectively. The gas separator 2 is connected by a line 8 through a heat exchanger 9 and centrifugal pump 10 with an ejector 11 of the liquid-gas type. The line for equalizing the speeds of the gas-liquid flow, including the gas flow line 12 with the control valve 13, connecting the upper part of the fermenter 1 with the ejector 11 and the line 14 with the control valve 15, connecting the upper part of the fermenter 1 with the branch pipe 16 for exhaust gas outlet, equipped with a pressure regulator 17 . Fermenter 1 pipe 18 - outlet of the obtained biomass is connected to the storage tank 3, equipped with a pipe 19 outlet of the resulting biomass. The heat exchanger 9 includes an inlet 20 of cooling water and an outlet 21 of water from the heat exchanger 9. A pipe 22 for supplying process water, a pipe 23 for supplying an aqueous ammonia solution to the fermenter, a pipe 24 for supplying a solution of nutrient salts and a pipe 25 for the outlet of a gas-liquid mixture are connected to the body of the fermenter 1 . The gas separator 2 is connected from above by a line 26 for the outlet of a part of the exhaust gas (exhaust gas), equipped with a control valve 27 - with an ejector 11. From the ejector 11 through the pipe 28, the gas-liquid mixture under pressure enters the lower part of the fermenter 1.

Ферментационная установка для культивирования метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus работает следующим образом.Fermentation plant for the cultivation of methane-oxidizing bacteria Methylococcus capsulatus works as follows.

В ферментер 1 через барботажные кольца 4 и 5, соединенные с патрубками 6 и 7 поступают природный газ и кислород. Для обеспечения роста биомассы в ферментер 1 через патрубок 24 подают рабочий раствор питательных солей. Для поддержания рН в ферментере 1 через патрубок 23 подают водный раствор аммиака. Так же в ферментер 1 подают через патрубок 22 технологическую воду для организации протока в ферментере. Газожидкостная смесь из нижней части ферментера 1 через патрубок 25 за счет разницы давлений поступает в газоотделитель 2. Откуда часть отработанного газа (абгаза) выводится из процесса через патрубок 16, а оставшееся количество газа через линию 26 поступает в эжектор 11 и вводится обратно в ферментер 1. Давление в газоотделителе 2 поддерживается регулятором давления 17. Жидкая часть потока из газоотделителя 2 выходит через патрубок линии 8, проходит через теплообменик 9 для поддержания требуемой температуры жидкости и с помощью центробежного насоса 10 под напором поступает в эжектор 11. Из газоотделителя 2 по линии 26 выводится регулируемое количество газовой смеси и поступает в эжектор 11. Туда же насосом 10 постоянно подается из газоотделителя 2 через патрубок по линии 8 жидкость. В эжекторе 11 образуется газожидкостная смесь с заданным распределением пузырей газа в жидкости. И через патрубок 28 полученная смесь поступает под напором в ферментер 1, обеспечивая вращение потока внутри его. С помощью регулирующего вентиля 15 осуществляется выравнивание скоростей движения газожидкостного потока из ферментера 1 в газоотделитель 2 и жидкостного потока из газоотделителя 2 в теплообменник 9, насос 10 и эжектор 11.Natural gas and oxygen enter the fermenter 1 through bubbling rings 4 and 5 connected to pipes 6 and 7. To ensure the growth of biomass, a working solution of nutrient salts is supplied to the fermenter 1 through the pipe 24. To maintain the pH in the fermenter 1, an aqueous solution of ammonia is fed through the pipe 23. Also, process water is supplied to the fermenter 1 through the pipe 22 to organize the flow in the fermenter. The gas-liquid mixture from the lower part of the fermenter 1 through the pipe 25 due to the pressure difference enters the gas separator 2. From there, part of the exhaust gas (off-gas) is removed from the process through the pipe 16, and the remaining amount of gas through line 26 enters the ejector 11 and is introduced back into the fermenter 1 The pressure in the gas separator 2 is maintained by a pressure regulator 17. The liquid part of the flow from the gas separator 2 exits through the branch pipe of the line 8, passes through the heat exchanger 9 to maintain the required liquid temperature, and with the help of a centrifugal pump 10 enters the ejector 11 under pressure. From the gas separator 2 along the line 26 a controlled amount of the gas mixture is output and enters the ejector 11. The liquid is constantly supplied there by the pump 10 from the gas separator 2 through the pipe along the line 8. In the ejector 11, a gas-liquid mixture is formed with a given distribution of gas bubbles in the liquid. And through the nozzle 28, the resulting mixture enters the fermenter 1 under pressure, ensuring the rotation of the flow inside it. With the help of the control valve 15, the speeds of the gas-liquid flow from the fermenter 1 to the gas separator 2 and the liquid flow from the gas separator 2 to the heat exchanger 9, pump 10 and ejector 11 are equalized.

Выравнивание скоростей движения газожидкостного потока из ферментера 1 в газоотделитель 2 и жидкостного потока из газоотделителя 2 в теплообменник 9 осуществляется за счет регулирующего вентиля 15. При закрытии вентиля 15 происходит уменьшение величины газового потока от ферментера 1 из патрубка 14 к газоотделителю 2, что способствует также увеличению потока газожидкостной смеси из ферментера 1 через патрубок 25 в газоотделитель 2 и, как следствие, повышается уровень рабочей жидкой среды в газоотделителе 2. При закрытии вентиля 15 происходит уменьшение величины газового потока от ферментера 1 из патрубка 14 к газоотделителю 2, что способствует уменьшению потока газожидкостной смеси из ферментера 1 через патрубок 25 в газоотделитель 2 и, как следствие, повышению уровня рабочей жидкой среды в газоотделителе 2. Настройка требуемого положения вентиля 15 обеспечивает требуемый уровень в газоотделителе 2, и как следствие, оптимальный режим газооделения в нем.Equalization of the rates of movement of the gas-liquid flow from the fermenter 1 to the gas separator 2 and the liquid flow from the gas separator 2 to the heat exchanger 9 is carried out due to the control valve 15. When the valve 15 is closed, the gas flow from the fermenter 1 from the pipe 14 to the gas separator 2 decreases, which also contributes to an increase flow of the gas-liquid mixture from the fermenter 1 through the nozzle 25 into the gas separator 2 and, as a result, the level of the working liquid medium in the gas separator 2 rises. mixture from the fermenter 1 through the nozzle 25 to the gas separator 2 and, as a result, increase the level of the working liquid medium in the gas separator 2. Setting the required position of the valve 15 provides the required level in the gas separator 2, and as a result, the optimal mode of gas separation in it.

Оптимальное соотношение газовых потоков, обеспечивающих увеличение степени использования природного газа создается также за счет регулирования степени открытия вентиля 15 установленного на линии 14, связанной с патрубком 16 выходом отработанного газа, и за счет регулирования вентилей 13 и 27 на линиях выхода части отработанного газа (абгаза) в эжектор 11. Регулирующие вентили 13, 15, 27 и регулятор давления 17, установленные на магистрали выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, обеспечивают надежную безаварийную работу всей установки, исключая "захлебывания" газожидкостной смесью газоотделителя 2 и, предотвращают аварийные ситуации и непланомерные остановки, требующие в дальнейшем пуско-наладочные работы.The optimal ratio of gas flows, ensuring an increase in the degree of use of natural gas, is also created by regulating the degree of opening of the valve 15 installed on the line 14 connected with the branch pipe 16 with the outlet of the exhaust gas, and by regulating the valves 13 and 27 on the outlet lines of the part of the exhaust gas (off-gas) into the ejector 11. The control valves 13, 15, 27 and the pressure regulator 17, installed on the gas-liquid flow rate equalization line, ensure reliable trouble-free operation of the entire installation, excluding "flooding" of the gas-liquid mixture of the gas separator 2 and prevent emergency situations and unplanned shutdowns that require further commissioning work.

Полученная биомасса из ферментера 1 поступает через патрубок 18 в накопительную емкость 3, где происходит ее накопление и вывод из системы ферментации через патрубок 19. Выравнивание давления в накопительной емкости 3 и ферментере 1 происходит за счет соединения их уравнительной газовой линией в верхней части ферментера 1 и накопительной емкости 3.The resulting biomass from the fermenter 1 enters through the nozzle 18 into the storage tank 3, where it is accumulated and removed from the fermentation system through the nozzle 19. The pressure in the storage tank 3 and the fermenter 1 is equalized by connecting them with an equalizing gas line in the upper part of the fermenter 1 and storage tank 3.

Принципиальное преимущество приведенной ферментационной установки для культивирования метанокисляющих микроорганизмов по сравнению с ранее известными - максимально полное отделение газовой фазы от жидкой в газоотделителе 2 с помощью принудительного забора ее эжектором 11 типа жидкость-газ. Как следствие, происходит снижение потерь напора центробежного насоса 10 по причине газонасыщения, за счет чего повышается эффективность работы эжектора 11, способствующего увеличению степени насыщения возвращаемой газовой смесью (абгазом) жидкости, вводимой в ферментер 1.The principal advantage of the given fermentation plant for cultivating methane-oxidizing microorganisms in comparison with the previously known ones is the most complete separation of the gas phase from the liquid in the gas separator 2 by means of forced intake by its ejector 11 of the liquid-gas type. As a result, there is a decrease in the head loss of the centrifugal pump 10 due to gas saturation, thereby increasing the efficiency of the ejector 11, which increases the degree of saturation of the liquid introduced into the fermenter 1 with the returned gas mixture (off-gas).

Пример технологического режима культивированияAn example of the technological mode of cultivation

Культуру Methylococcus capsulatus выращивают в ферментере 1. Процесс выращивания осуществляется в непрерывном режиме при избыточном давлении. Для проведения процесса культивирования ферментер 1 заполняют технологической водой и раствором минеральных питательных солей. В качестве основного технологического сырья процесса выращивания используется природный газ с содержанием метана не менее 90%. Процесс осуществляют в среде насыщенной кислородом. В качестве источника кислорода, для подачи в ферментер 1, может быть использован как чистый газ, так и обогащенный кислородом воздух.The culture of Methylococcus capsulatus is grown in the fermenter 1. The cultivation process is carried out in a continuous mode at excess pressure. To carry out the cultivation process, the fermenter 1 is filled with process water and a solution of mineral nutrient salts. Natural gas with a methane content of at least 90% is used as the main technological raw material for the growing process. The process is carried out in an environment saturated with oxygen. As a source of oxygen for supply to the fermenter 1, both pure gas and oxygen-enriched air can be used.

В ферментере 1 поддерживают рН среды, устанавливаемый в диапазоне 5,6-5,8 ед. Данный интервал рН в аппарате поддерживается подачей в систему аммиачной воды, которая одновременно является источником азота. Рабочая температура процесса поддерживается в диапазоне 42-45°С, посредством охлаждения циркулирующей биомассы в выносном теплообменнике 9. Рабочее давление в аппарате составляет 0,5 МПа.In the fermenter 1 maintain the pH of the environment, set in the range of 5.6-5.8 units. This pH range in the apparatus is maintained by supplying ammonia water to the system, which is also a source of nitrogen. The operating temperature of the process is maintained in the range of 42-45°C by cooling the circulating biomass in an external heat exchanger 9. The operating pressure in the apparatus is 0.5 MPa.

Средняя рабочая концентрация клеток в отбираемой биомассе составляет 18÷21 г/л (АСВ), при удельной скорости протока среды через аппарат не менее 0,2 ч-1.The average working concentration of cells in the selected biomass is 18÷21 g/l (ASV), with a specific flow rate of the medium through the apparatus is not less than 0.2 h -1 .

В газоотделителе 2 происходит отделение не менее 95% (по объему) газовой фазы из газожидкостной смеси, что позволяет сохранить стабильность работы центробежного насоса 10, т.е. обеспечить сохранение его основных характеристик - производительности и напора.In the gas separator 2, at least 95% (by volume) of the gas phase is separated from the gas-liquid mixture, which makes it possible to maintain the stability of the operation of the centrifugal pump 10, i.e. to ensure the preservation of its main characteristics - productivity and pressure.

Организация принудительного отбора газа из газоотделителя 2 с помощью эжектора 11 и введение его в составе газожидкостной смеси в ферментер 1, позволяет обеспечить высокую степень диспергирования газовой фазы в жидкости внутри аппарата и увеличить степень использования природного газа.The organization of forced gas extraction from the gas separator 2 using the ejector 11 and its introduction as part of the gas-liquid mixture into the fermenter 1 makes it possible to ensure a high degree of dispersion of the gas phase in the liquid inside the apparatus and increase the degree of use of natural gas.

Claims (1)

Ферментационная установка для метанокисляющих бактерий Methylococcus capsulatus, включающая ферментер для проведения аэробных процессов культивирования, снабженный патрубками подачи газовых и жидкостных технологических потоков, патрубками выхода полученной биомассы, отходящего газа и газожидкостной смеси, элементы для организации потоков внутри ферментера, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит накопительную емкость для вывода полученной биомассы из ферментера, соединенную с ферментером уравнительной газовой линией в его верхней части, газоотделитель, эжектор и магистраль выравнивания скоростей движения газожидкостного потока, включающую линии газового потока с регулирующими вентилями, одна из которых связывает верхнюю часть ферментера с эжектором, а другая – верхнюю часть ферментера с патрубком вывода отработанного газа, причем ферментер и газоотделитель соединены линией вывода газожидкостной смеси из ферментера, эжектор и газоотделитель сверху соединены между собой по линии газового потока с регулирующим вентилем, а снизу - по линии жидкостного потока через теплообменник и центробежный насос, кроме того, элементы для организации потоков внутри ферментера расположены в нижней части ферментера и выполнены в виде двух барботажных колец, связанных с магистралями подачи природного газа и кислорода и патрубка ввода под давлением газожидкостной смеси, связанного с эжектором.Fermentation plant for methane-oxidizing bacteria Methylococcus capsulatus, including a fermenter for carrying out aerobic cultivation processes, equipped with nozzles for supplying gas and liquid process streams, outlet pipes for the obtained biomass, exhaust gas and gas-liquid mixture, elements for organizing flows inside the fermenter, characterized in that the installation additionally contains a storage tank for removing the resulting biomass from the fermenter, connected to the fermenter by an equalizing gas line in its upper part, a gas separator, an ejector and a gas-liquid flow rate equalization line, including gas flow lines with control valves, one of which connects the upper part of the fermenter with the ejector, and the other is the upper part of the fermenter with a branch pipe for the outlet of exhaust gas, and the fermenter and the gas separator are connected by a line for the output of the gas-liquid mixture from the fermenter, the ejector and the gas separator are interconnected at the top along gas flow lines with a control valve, and from below - along the liquid flow line through a heat exchanger and a centrifugal pump, in addition, the elements for organizing flows inside the fermenter are located in the lower part of the fermenter and are made in the form of two bubbling rings connected to natural gas and oxygen supply lines and a branch pipe for inlet under pressure of a gas-liquid mixture associated with the ejector.
RU2021118505A 2021-06-24 2021-06-24 Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria RU2769129C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118505A RU2769129C1 (en) 2021-06-24 2021-06-24 Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118505A RU2769129C1 (en) 2021-06-24 2021-06-24 Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769129C1 true RU2769129C1 (en) 2022-03-28

Family

ID=81075866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021118505A RU2769129C1 (en) 2021-06-24 2021-06-24 Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2769129C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1353008A (en) * 1970-07-21 1974-05-15 Ici Ltd Fermentation method and fermenter
RU2352626C2 (en) * 2006-03-30 2009-04-20 Борис Алексеевич Зимин Apparatus to grow microorganisms
RU2580646C1 (en) * 2015-08-03 2016-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms
RU2607782C1 (en) * 2016-04-04 2017-01-10 Винаров Александр Юрьевич Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms
RU2743581C1 (en) * 2020-05-19 2021-02-20 Ооо "Гипробиосинтез" Fermentation plant for cultivation of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1353008A (en) * 1970-07-21 1974-05-15 Ici Ltd Fermentation method and fermenter
RU2352626C2 (en) * 2006-03-30 2009-04-20 Борис Алексеевич Зимин Apparatus to grow microorganisms
RU2580646C1 (en) * 2015-08-03 2016-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "ГИПРОБИОСИНТЕЗ" Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms
RU2607782C1 (en) * 2016-04-04 2017-01-10 Винаров Александр Юрьевич Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms
RU2743581C1 (en) * 2020-05-19 2021-02-20 Ооо "Гипробиосинтез" Fermentation plant for cultivation of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2580646C1 (en) Fermentation apparatus for methane-assimilating microorganisms
RU2607782C1 (en) Bioreactor for growing methane-recycling microorganisms
US7201884B2 (en) Process and apparatus for performing a gas-sparged reaction
JPS60132698A (en) Step type anaerobic reaction tank
EA032296B1 (en) Process for syngas fermentation with high mass transfer coefficient
JPS62186783A (en) Fermentation apparatus
CA1243471A (en) Process for carrying out reactions and mass transfer processes in heterogeneous fluid systems
RU2771462C2 (en) Fermentation reactor and process of fermentation
RU2738849C1 (en) Apparatus for growing microorganisms
US20220325220A1 (en) Bioreactors for growing micro-organisms
RU2322488C2 (en) Method for production of aerobic microorganism biomass
RU2728193C1 (en) Fermenter and fermentation unit for continuous cultivation of microorganisms
RU2743581C1 (en) Fermentation plant for cultivation of methane-oxidizing bacteria methylococcus capsulatus
RU2769129C1 (en) Fermentation plant for cultivation of methylococcus capsulatus methane-oxidizing bacteria
RU2762273C2 (en) Installation for producing biomass of aerobic microorganisms
RU2236451C1 (en) Aerobic liquid phase fermentation apparatus
RU2585666C1 (en) Device for cultivation of methane-oxidising microorganisms
Faust et al. Methanol as carbon source for biomass production in a loop reactor
Seipenbusch et al. The loop reactor for cultivating yeast on n-paraffin substrate
RU2596396C1 (en) Bioreactor with membrane device for gas supply of microorganisms
WO2018165411A1 (en) Aerobic fermentation systems and methods
AU630889B2 (en) Method and apparatus for effecting a bioreaction
RU2766708C1 (en) Reactor for aerobic biosynthesis and a method for obtaining microbial biomass of methane-oxidizing microorganisms in this reactor
RU2741346C1 (en) Device for cultivation of microorganisms
RU160091U1 (en) DEVICE FOR GROWING MICROORGANISMS